基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)（全

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化步伐加快?，F(xiàn)在很多人已經(jīng)住進(jìn)小區(qū)，所以小區(qū)必須提供給人們很好的供水質(zhì)量，但也不能浪費(fèi)有限的水資源。每個(gè)小區(qū)都建有自己的供水系統(tǒng)。小區(qū)供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性直接影響到供水質(zhì)量，傳統(tǒng)的供水方式普遍存在占地面積大、可靠性差、難以維護(hù)等缺點(diǎn)，所以現(xiàn)在基本已經(jīng)被淘汰了。本文主要設(shè)計(jì)一套小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PLC，變頻器，水泵機(jī)組，壓力傳感器，液位傳感器，上位機(jī)，通信模塊等設(shè)備組成。該系統(tǒng)具有生活管網(wǎng)和消防管網(wǎng)。該系統(tǒng)可以手動(dòng)運(yùn)行，也可以自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)還設(shè)計(jì)了人機(jī)界面，通過(guò)遠(yuǎn)程通信可以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)供水方式的缺點(diǎn)有了大大的改善

2、，不僅提高了供水質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)約了水資源，投入資金較少，維護(hù)方便。變頻恒壓供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)供水系統(tǒng)相比，節(jié)能效果非常顯著。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓，本設(shè)計(jì)通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)壓力，然后反饋給變頻器的PID模塊，這樣就構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。再通過(guò)變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速。論文同時(shí)也討論了消防供水的問(wèn)題，在消防管網(wǎng)中配備了兩臺(tái)高功率的電機(jī)。 最后，還通過(guò)組態(tài)軟件編譯了人機(jī)界面，使系統(tǒng)更加完善。同時(shí)通過(guò)通信模塊與上位機(jī)相連接，構(gòu)成一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，還可以改變系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。對(duì)于保護(hù)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了水位報(bào)警，變頻器故障報(bào)警，軟啟動(dòng)器保護(hù)等。關(guān)鍵詞：變頻器；

3、PLC；恒壓供水；變頻調(diào)速；監(jiān)控系統(tǒng)ABSTRACTAlong with the rapid development of Chinese economy, the urbanization step is quickly. Now many people have moved to communities, so the Community has to provide good water supply quality to people, but can not waste water resources. Community built their own water systems.

4、 Community water supply system must supplies water the stability, credibility of system, the economy directly influences to supply water quality .The traditional means of water supply cover big area, and low efficiency，hard maintenance etc. So its already been eliminated now.This text mainly designs

5、 a cell constant pressure water supply system, which by the PLC, transducer, water pump, pressure sensors, liquid level sensors, host computer, communication modules and other equipment composition. The system has to live tube net and fire net. The system can control by hand, it also can control aut

6、omatically. It still designed a man-machine interface at the same timePassing the long range correspondence can with the movement that the long range control the system. The system has solved the problem existing in the traditional way of water supply, such as economize water resources, it are littl

7、e to throw in funds, maintenance convenience.The system compare with the traditional way of water supply, it has energy conservation effect extraordinary prominence. For carrying out system of constant pressure, this design spreads the feeling machine examination pressure through a pressure, Then th

8、e feedback give the PID mold piece of inverter. Therefore this made one cyclic control system. And then variable-frequency controls the electric machine, so this is a variable velocity variable frequency. The problem that the thesis also discussed that the fire fight supplies water at the same time

9、took care of to provide with the electrical engineering of two set high powers in the net in the fire fight.Finally, it also edited and translated a man-machine interface through a set of software. The system is more perfect. At the same time we Build up a conjunction between the PLC and the compute

10、r. For the protection link, the system designed water level to report to the police, the inverter breakdown reports to the police, the soft starter protects etc.Key words：Variable-frequency; PLC; Constant pressure water-supply; Variable Velocity variable frequency; monitor and control-system目錄摘要2第一章

11、 緒論71.1變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義71.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀81.2.1各類供水系統(tǒng)的比較81.2.2國(guó)內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)研究狀況81.3幾種供水系統(tǒng)的比較81.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容10第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論以及方案確定1121 供水系統(tǒng)的基本模型和主要參數(shù)1222供水系統(tǒng)的特性曲線和工作點(diǎn)1323供水系統(tǒng)中恒壓實(shí)現(xiàn)方式1424異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法1525 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析1626供水系統(tǒng)安全性討論1827變頻恒壓控制的理論模型1928變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型202.9變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析21第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2231

12、變頻恒壓供水系統(tǒng)總體控制方案的確定2232變頻恒壓供水系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2433變頻恒壓供水系統(tǒng)主要器件的選型以及參數(shù)整定26331系統(tǒng)配置設(shè)備的參數(shù)計(jì)算26332變頻器的選型26333 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型31334水泵機(jī)組的選型3333壓力傳感器的選型34335軟啟動(dòng)器或自耦變壓器3434系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)34341系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)34342壓力傳感器的接線圖35343變頻器和控制電路設(shè)計(jì)35344系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)3935系統(tǒng)的I/O地址分配39第四章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4141變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理4142系統(tǒng)的主程序流程圖4243 PID調(diào)節(jié)器控制以及參數(shù)整定44431 PID調(diào)節(jié)

13、器控制44432變頻器PID參數(shù)調(diào)整流程圖46433變頻器PID參數(shù)設(shè)置及參數(shù)調(diào)整47第五章 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4951 監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成495.2 三菱FX系列PLC通信協(xié)議515.3 PLC通信程序設(shè)計(jì)525.4計(jì)算機(jī)通信程序設(shè)計(jì)535.5上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)54第六章 總結(jié)56參考文獻(xiàn)57附錄1：梯形圖57第一章 緒論1.1變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代

14、控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義在變頻恒壓供水系統(tǒng)中利用變頻器改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變水泵的出口的壓力的目的，這種方法比靠調(diào)節(jié)閥門(mén)控制水泵出口壓力的方法，具有更高的效率和優(yōu)越性。由于水泵工作在變頻工況下，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。實(shí)現(xiàn)恒壓供水的自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁的操作，大大

15、降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力和能源的消耗。1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1.2.1各類供水系統(tǒng)的比較水池水泵（恒壓變頻或氣壓罐）管網(wǎng)系統(tǒng)用水點(diǎn)是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法。該系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開(kāi)先關(guān)”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死。這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運(yùn)行時(shí)間，有效地防止因?yàn)閭溆帽瞄L(zhǎng)期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費(fèi)用。水池水泵高位水箱用水點(diǎn)這種供水方式通過(guò)水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用戶。但是這第種二次供水方式不可避免造成二次污染，影響居民的身體健康。所以這種方案并不可取，終將淘汰。單元水箱單元

16、增壓泵單元高位水箱各單位用水點(diǎn)的確也達(dá)到了樓房高層的用戶不因城市供水管網(wǎng)水壓減小而用不到水的目標(biāo)，但是它的投資較大，總費(fèi)用比上兩種方式增加一、二十萬(wàn)元。這些費(fèi)用要在用戶的水電費(fèi)上來(lái)扣除，這對(duì)于居民和學(xué)校來(lái)說(shuō)是巨大的壓力，所以也不可取。結(jié)合小區(qū)用水的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的考慮,決定采用恒壓變頻供水系統(tǒng)。1.2.2國(guó)內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)研究狀況從20世紀(jì)70年代起，國(guó)內(nèi)的很多專家，學(xué)者就開(kāi)始嘗試將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于供水系統(tǒng)的模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)及供水系統(tǒng)控制等方面。目前，國(guó)內(nèi)供水系統(tǒng)采用的自動(dòng)控制技術(shù)不少，其特點(diǎn)是變頻技術(shù)與其他自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合。如最初的恒壓供水系統(tǒng)采用繼電接觸器控制電路，是與開(kāi)關(guān)量邏輯控制技術(shù)結(jié)合，

17、通過(guò)人工啟動(dòng)或停止水泵和調(diào)節(jié)泵出口閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水。該系統(tǒng)線路復(fù)雜，操作麻煩，勞動(dòng)強(qiáng)度大，維護(hù)困難，自動(dòng)化程度低，應(yīng)用前景不好。后來(lái)增加了微機(jī)和PLC監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動(dòng)化程度。但由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)是恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，水流量靠調(diào)節(jié)泵出口閥開(kāi)度來(lái)控制，浪費(fèi)大量的能源，也沒(méi)有很好的發(fā)展前景。轉(zhuǎn)速控制法是通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，通過(guò)變頻技術(shù)調(diào)速。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起、制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，得到了廣泛的應(yīng)用。1.3幾種供水系統(tǒng)的比較1恒速泵加壓供水：這種方式無(wú)法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動(dòng)化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿負(fù)荷運(yùn)行，不但

18、效率低、耗電量大，而且在用水量較少時(shí)，管網(wǎng)長(zhǎng)期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動(dòng)易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。2重力供水：重力供水通常需要設(shè)置水箱或者水塔，系統(tǒng)用水是由水箱或者水塔直接供應(yīng)，所以供水壓力比較穩(wěn)定。但它需要由位置高度所形成的壓力進(jìn)行供水，為此需要建造水塔或者將水箱置于建筑物頂層的最高處。在大型建筑物中，即使如此，還常常不能滿足最不利供水點(diǎn)的供水要求。同時(shí)由于其存水比較大，在屋頂形成很大的負(fù)重，增加了結(jié)構(gòu)的承重和占用樓宇的建筑面積，也妨礙美觀，此外，屋頂水箱還必須高出屋面幾米，建筑立面較難處理，存在投資大、周期長(zhǎng)、能源浪費(fèi)大的缺點(diǎn)。3氣壓供水：氣壓供水是采用氣壓罐

19、代替水塔或高位水箱利用密閉壓力罐內(nèi)的空氣將罐內(nèi)儲(chǔ)水壓到管網(wǎng)中去。它的優(yōu)點(diǎn)是靈活性大、建設(shè)快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水錘與噪聲，缺點(diǎn)是體積和投資大、壓力變化大、運(yùn)行效率低、需要使用張力膜、維護(hù)費(fèi)用高、耗費(fèi)動(dòng)力大。4變頻恒壓供水：變頻恒壓供水系統(tǒng)即實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，根據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求。將變頻調(diào)速技術(shù)用于更新改造傳統(tǒng)供水設(shè)備之后，大大地推動(dòng)了恒壓供水技術(shù)裝備的發(fā)展。這種恒壓供水方式與傳統(tǒng)的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，在設(shè)備的投資、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和自動(dòng)化程度等方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。供水系統(tǒng)

20、采用變頻控制，既能大量節(jié)約能源，又能穩(wěn)定供水系統(tǒng)的壓力，保障管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是非常有實(shí)際意義的，并且供水系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)相對(duì)鼓、引風(fēng)機(jī)而言容量較小，投資不大，還可以在恒壓供水的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)、水泵及管路保護(hù)，并且可以節(jié)約能源、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，所以非常值得推廣和應(yīng)用。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在著浪費(fèi)水電力資源、效率低、可靠性差、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動(dòng)可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水

21、的各級(jí)加壓系統(tǒng)和居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開(kāi)、停機(jī)時(shí)能減小電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。1.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容通過(guò)對(duì)現(xiàn)有供水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，依據(jù)用戶對(duì)供水系統(tǒng)的要求，確定以可靠性高、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、編程靈活的工控設(shè)備變頻器和PLC作為主要控制設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。具體而言，論文包括以下內(nèi)容：1 論文在對(duì)課題對(duì)進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和

22、思路，確定論文主要的研究?jī)?nèi)容和研究方法；2分析供水系統(tǒng)基本模型及主要參數(shù)，對(duì)恒壓供水系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法和閥門(mén)控制法作了比較，詳細(xì)分析和論證變頻調(diào)速方式在恒壓供水系統(tǒng)中的節(jié)能原理和效果。并分析了變頻調(diào)速方式對(duì)減少供水系統(tǒng)的水錘效應(yīng)，提高系統(tǒng)安全性的作用。3論文就變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的分析和研究。從用戶的需求入手確定設(shè)備的選型；詳細(xì)分析全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行方式水泵運(yùn)行的各種有效狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換過(guò)程，討論P(yáng)LC的程序設(shè)計(jì)方法及程序執(zhí)行特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出供水系統(tǒng)控制程序的功能模塊和設(shè)計(jì)方案；在介紹PID調(diào)節(jié)原理的基礎(chǔ)上，分析利用PID調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)恒壓供水的調(diào)節(jié)過(guò)程，給出PID參數(shù)設(shè)置

23、方法；最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。4 通過(guò)計(jì)算機(jī)和PLC的通信，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控是本論文的一個(gè)特色之處。論文介紹了計(jì)算機(jī)和PLC通信系統(tǒng)的組成和通信協(xié)議，給出了通信程序，并提出供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)方法。第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論以及方案確定在供水系統(tǒng)中，用水量處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程之中，采取恒速泵供水方式，無(wú)法維持管壓恒定，同時(shí)也影響設(shè)備壽命：若采取閥門(mén)控制調(diào)節(jié)流量來(lái)維持管壓，必然造成大量的電能浪費(fèi)；而且水泵電機(jī)直接工頻起動(dòng)與制動(dòng)帶來(lái)的水錘效應(yīng)，對(duì)管網(wǎng)、閥門(mén)等也具有破壞性的影響。基于恒壓、節(jié)能及安全性考慮，采取變頻調(diào)速恒壓供水方式是一種不錯(cuò)的選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì)采用變頻調(diào)速技

24、術(shù)調(diào)節(jié)流量實(shí)現(xiàn)恒壓供水，可節(jié)能2050，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。在討論變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理與安全性之前，有必要討論分析供水系統(tǒng)的一些基本概念和特性。21 供水系統(tǒng)的基本模型和主要參數(shù)供水系統(tǒng)的基本模型如圖2-1所示。泵用戶水面 h1吸水口摩擦損失 流量控制全揚(yáng)程水壓泵實(shí)際揚(yáng)程h0L0h2Hh3（a） 圖2-1 供水系統(tǒng)的基本模型 （b）（a）全揚(yáng)程的概念 (b)基本模型)圖中：L0一一水泵中心位置；h0一一吸水口水位；h1一一水平面水位；h2一一管道最高處水位：h3一一在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真實(shí)的管道系統(tǒng)中，這個(gè)位置并不存在。只有

25、在h3大于管道的實(shí)際最高位置的情況下，才能正常供水。主要參數(shù)有：1流量Q ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)管道內(nèi)某一截面的水流量，常用單位是m3min。2揚(yáng)程H也稱水頭：是供水系統(tǒng)把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一位置時(shí)水位的變化量，數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)的水位差。常用單位是m。3實(shí)際揚(yáng)程Hb：供水系統(tǒng)中，實(shí)際的最高水位h2與最低水位h1，之間的水位差，即供水系統(tǒng)實(shí)際提高的水位。即：Hb=h2一h1。4全揚(yáng)程HT：水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高水位h3與吸入口的水位ho之間的水位差。全揚(yáng)程的大小說(shuō)明了水泵的泵水能力。即：HT=h3h0.5損失揚(yáng)程HL：全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差，即為損失揚(yáng)程。Hb，HT，HL之間的關(guān)系是：HT=HL+ Hb

26、。供水系統(tǒng)為了保證供水，其全揚(yáng)程必須大子實(shí)際揚(yáng)程，這多余的揚(yáng)程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵償各部分管道內(nèi)的摩擦損失；6管阻R：閥門(mén)和管道系統(tǒng)對(duì)水流的阻力。和閥門(mén)開(kāi)度、流量大小、管道系統(tǒng)等多種因素有關(guān)，難以定量計(jì)算，常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來(lái)描述。7壓力p：表明供水系統(tǒng)中某個(gè)位置水壓大小的物理量。其大小在靜態(tài)時(shí)主要取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)情況下，則還與流量與揚(yáng)程之間的平衡情況有關(guān)。22供水系統(tǒng)的特性曲線和工作點(diǎn)供水系統(tǒng)的參數(shù)表明了供水的性能。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用供水系統(tǒng)的特性曲線直觀地反映，主要有揚(yáng)

27、程特性曲線和管組特性曲線，如圖22。通過(guò)特性曲線可以掌握供水系統(tǒng)的性能，確定其工作點(diǎn)。QQE QNHTHoHEHNHCHB0ABN1234圖2-2 供水系統(tǒng)特性曲性圖22中：曲線1一一額定轉(zhuǎn)速nN時(shí)的揚(yáng)程特性曲線曲線2一一轉(zhuǎn)速n1時(shí)的揚(yáng)程特性曲線曲線3一一閥門(mén)開(kāi)度100時(shí)的管阻特性曲線曲線4一一閥門(mén)開(kāi)度不足100時(shí)的管阻特性曲線1揚(yáng)程特性以管路中的閥門(mén)開(kāi)度不改變?yōu)榍疤幔唇孛娣e不變，水泵在某一轉(zhuǎn)速下，全揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線HT=f （Q），稱為揚(yáng)程特性曲線。不同轉(zhuǎn)速下，揚(yáng)程特性曲線不同，圖22中的曲線1、2分別對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速nN、n1，且nN n1，。曲線表明轉(zhuǎn)速一定時(shí)，用水量增大，即流量增大，

28、管道中的管阻損耗也就越大，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小，反映用戶的用水需求狀況對(duì)全揚(yáng)程的影響的。在這里，流量的大小取決于用戶，是用水流量，用Qu，表示。用水量一定時(shí)，即Qu不變，轉(zhuǎn)速越低，水泵的供水能力越低，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小。2管阻特性以水泵的轉(zhuǎn)速不改變?yōu)榍疤?，閥門(mén)在某一開(kāi)度下，全揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線HT=f （Q），稱為管阻特性曲線。不同閥門(mén)開(kāi)度，管阻特性曲線不同，圖2-2中的曲線3對(duì)應(yīng)閥門(mén)開(kāi)度大于曲線4對(duì)應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)度。管阻特性表明由閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制供水能力的特性曲線。此時(shí)轉(zhuǎn)速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門(mén)的開(kāi)度，即管阻的大小，是由供水側(cè)來(lái)決定的，故管阻特性的流量可以認(rèn)為是

29、供水流量，用QG表示。在實(shí)際的供水管道中，流量具有連續(xù)性，并不存在供水流量與用水流量的差別。這里的QG和QU是為了便于說(shuō)明供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系而假設(shè)的量。當(dāng)供水流量QG接近于0時(shí)，所需的揚(yáng)程等于實(shí)際揚(yáng)程(HT=HB)。表明了如果全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程的話，將不能供水。因此，實(shí)際揚(yáng)程也就是能夠供水的基本揚(yáng)程。3供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。在這一點(diǎn)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖22中的點(diǎn)表示水泵工作于額定轉(zhuǎn)速，閥門(mén)開(kāi)度為100時(shí)的供水狀態(tài)，為系統(tǒng)的額定工作點(diǎn)。4 供水功率供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所

30、消耗的功率PG(kw)稱為供水功率，供水功率與流量和揚(yáng)程的乘積成正比： PG=CPHTQ （2-1） 式中：CP比例常數(shù)。23供水系統(tǒng)中恒壓實(shí)現(xiàn)方式對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，而揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制?？紤]到動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚(yáng)程大小的反映，而揚(yáng)程與供水能力(由流量QG表示)和用水需求(由用水流量QU表示)之間的平衡情況有關(guān)。若：供水能力QG用水需求QU，則壓力P上升；若：供水能力QG用水需求Qu，則壓力P下降；若：供水能力QG=用水需求QU，則壓力P不變。可見(jiàn)，流體壓力P的變化反映了供

31、水能力與用水需求Qu之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來(lái)調(diào)節(jié)管道流量大小。這說(shuō)明，通過(guò)恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。將來(lái)用戶需求發(fā)生變化時(shí)，需要對(duì)供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。(1)閥門(mén)控制法轉(zhuǎn)速保持不變，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度大小來(lái)調(diào)節(jié)流量。實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)強(qiáng)行改變流量大小，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。這時(shí)的管阻特性將隨閥門(mén)開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。(2)轉(zhuǎn)速控制法閥門(mén)開(kāi)度保持不變，通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量。

32、實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水泵的供水能力來(lái)適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。24異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法通過(guò)轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過(guò)三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=n1（1s）=60f（1s）p （22）式中，n1一一異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，rmin；n一一異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，rmin；P一一異步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；f一一異步電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率，即電源頻率；s一一轉(zhuǎn)速差，s=1nn1?？芍{(diào)速方法有；變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)整。1變極調(diào)速在電源頻率一定的情況下，改變

33、電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。磁極對(duì)數(shù)的改變通過(guò)改變電機(jī)定子繞組的接線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門(mén)的變極電機(jī)，而且是有極調(diào)速，級(jí)差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。2，變轉(zhuǎn)差調(diào)速通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗耗與電機(jī)的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn)差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率J很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。但在供水系統(tǒng)中由轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水時(shí)，為適應(yīng)流量的變化，電機(jī)一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機(jī)運(yùn)行效率降低。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級(jí)調(diào)速法能將增加

34、部份的轉(zhuǎn)差功率通過(guò)整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時(shí)過(guò)載能力低，還需一臺(tái)與電動(dòng)機(jī)相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。3變頻調(diào)速通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式。這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡(jiǎn)稱為VVVF(Variable voltage Variable Frequency)。在改變輸出頻率的同時(shí)也改變輸出電壓，以保證電機(jī)磁通m基本不變，其關(guān)系為：U1f1=常數(shù) （23）式中：U1一一變頻器輸出電壓；f1一一變頻器輸出頻率：變頻調(diào)速過(guò)程的特點(diǎn)

35、：靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點(diǎn)是調(diào)速過(guò)程中，其轉(zhuǎn)差率不變。電機(jī)的運(yùn)行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉(zhuǎn)速控制法。因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果。25 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析1轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)流量實(shí)現(xiàn)節(jié)能(1) 轉(zhuǎn)速控制法與閥門(mén)控制法供水能耗分析在圖2-2中，將閥門(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法的特性曲線畫(huà)在了同一坐標(biāo)系中。假設(shè)系統(tǒng)原工作于額定狀態(tài)N點(diǎn)，當(dāng)所需流量減少，從額定流量QN變?yōu)镼E時(shí)，在恒壓前提下，采用閥門(mén)控制法時(shí)供水系統(tǒng)工作點(diǎn)將移到A點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的供水功率PG與面積AHEOQE成正比；采用轉(zhuǎn)速控制法時(shí)供水系統(tǒng)工作點(diǎn)將移到B點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的

36、供水功率PG與面積BHcOQE成正比。兩種控制方式下的面積之差P=AHEHcB表明了采取轉(zhuǎn)速控制方式相對(duì)于閥門(mén)控制方式可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。(2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與恒速運(yùn)行供水能耗分析根據(jù)水泵比例定理，改變轉(zhuǎn)速n，水泵流量Q、揚(yáng)程H和軸功率P隨之相應(yīng)變化，其關(guān)系式為：Q1Q=n1n （24）H1H=（n1n）2 （25）P1P=( n1n)3 (26)式中，n1、Q1、H1、P1分別為調(diào)速后的水泵轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和軸功率。從以上關(guān)系可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速n下降時(shí)，軸功率按轉(zhuǎn)速變化的3次方關(guān)系下降，可見(jiàn)轉(zhuǎn)速對(duì)功率的影響是最大的。一般在設(shè)計(jì)中，水泵均考慮在最不利工況下供水，水泵在選型上也是按水泵額定工作點(diǎn)選型和安裝使用，

37、即按額定工作點(diǎn)設(shè)計(jì)。但在實(shí)際運(yùn)行中，管網(wǎng)用水量常常低于最不利工況，這時(shí)，如降低轉(zhuǎn)速相對(duì)于恒速泵供水運(yùn)行，能使水泵的軸功率大大減少。可見(jiàn)，在供水系統(tǒng)中根據(jù)用水量的大小，通過(guò)變頻方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)供水具有很好的節(jié)能效果。而且這種方式在用水量較少時(shí)節(jié)能效果更為明顯。2變頻調(diào)速電機(jī)運(yùn)行效率高在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，額定揚(yáng)程和額定流量通常留有裕量，而且，實(shí)際用水流量也往往達(dá)不到額定值，電動(dòng)機(jī)也常常處于輕載狀態(tài)，電機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)效率和功率因數(shù)很低。采用變頻調(diào)速方式變頻器能夠根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個(gè)方面。26供水系統(tǒng)安全性討論1 水錘效

38、應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強(qiáng)過(guò)高或過(guò)低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。壓強(qiáng)過(guò)高，將引起管子的破裂；壓強(qiáng)過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門(mén)和固定件。2 產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因及消除辦法產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是水泵在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。采用變頻調(diào)速，通過(guò)減少動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)徹底消除水錘效應(yīng)。水泵的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大小決定了水泵加速過(guò)程的快慢，決定了加速過(guò)程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應(yīng)的強(qiáng)弱。拖動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 TJ = TM TL （27）

39、TM ：是電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩TL ：是供水系統(tǒng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖24反映了全壓起動(dòng)和變頻起動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩情況。fNbTNa圖：全壓?jiǎn)?dòng) b圖：變頻啟動(dòng)fNf1f2f3f4TnT 0TJnnN圖24水泵的直接起動(dòng)和變頻起動(dòng)a圖2 4 b中的鋸齒狀線是變頻起動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。由圖24可知，水泵在直接起動(dòng)過(guò)程時(shí)，因動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，造成了強(qiáng)烈的水錘效應(yīng)，通過(guò)變頻起動(dòng)，可有效地降低動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩消除水錘效應(yīng)。停機(jī)過(guò)程效果類似。3 變頻調(diào)速對(duì)供水系統(tǒng)安全性的作用采用變頻調(diào)速，對(duì)系統(tǒng)的安全性有一系列的好處：(1) 消除了水錘效應(yīng)，減少了對(duì)水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，可大大延長(zhǎng)水泵及管道系統(tǒng)的壽命；(2) 降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減

40、小工作過(guò)程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長(zhǎng)；(3) 避免了電機(jī)和水泵的硬起動(dòng)，可大大延長(zhǎng)聯(lián)軸器壽命；(4) 減少了起動(dòng)電流，也就減少了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性：27變頻恒壓控制的理論模型變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。反饋參 數(shù)實(shí)際壓 力轉(zhuǎn)速頻率給定參數(shù)變頻器PID水泵管網(wǎng)壓力傳感器圖25變

41、頻恒壓控制原理圖從圖25中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過(guò)程中該過(guò)程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。28變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)

42、學(xué)模型如前文所述，由于變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始?jí)毫﹂_(kāi)始啟動(dòng)水泵運(yùn)行，至管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求時(shí)經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個(gè)階段管網(wǎng)壓力基本保持初始?jí)毫Γ@是一個(gè)純滯后的過(guò)程；其次是水泵將水充滿整個(gè)管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的慣性過(guò)程；然而系統(tǒng)中其他控制和檢測(cè)環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測(cè)等的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間與供水系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間相比，可忽略不計(jì)，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，恒壓供水系統(tǒng)的

43、數(shù)學(xué)模型可以近似成一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，G(S) = Ke s (Ts+1) (28)式中：K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時(shí)間2.9變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上面的工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加恒速水泵來(lái)滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。當(dāng)調(diào)速水泵和恒速水泵都在運(yùn)行且調(diào)速水泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少恒速水泉來(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時(shí)進(jìn)行切換，刁能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過(guò)于頻繁的切換。盡管通用變頻器的頻率都可以在0-40

44、0Hz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無(wú)限地增大和減小。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，只能在50Hz時(shí)進(jìn)行。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達(dá)50Hz時(shí)，即使實(shí)際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過(guò)水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是0Hz。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到0Hz。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)

45、，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于0Hz,具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在20Hz左右。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實(shí)需要機(jī)組進(jìn)行切換的時(shí)候才進(jìn)行機(jī)組的切換。所謂延時(shí)判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進(jìn)

46、行機(jī)組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時(shí)間（比如1-2分鐘），如果在這一段延時(shí)的時(shí)間內(nèi)切換條件仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)組切換操作;如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說(shuō)明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作。第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)31 變頻恒壓供水系統(tǒng)總體控制方案的確定從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的

47、切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案采用“變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器的控制方案。這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：通用性強(qiáng)，由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和IO的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò)Pc機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。這種控制方案既有擴(kuò)展

48、功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。本文的供水系統(tǒng)主要用于小區(qū)生活用水，其水量主要集中早、晚兩個(gè)時(shí)間段，平時(shí)處于低流量狀態(tài)，屬連續(xù)型低流量變化型。這類型用水需求在較長(zhǎng)時(shí)間段表現(xiàn)為低流量，相對(duì)于設(shè)計(jì)流量有較大的余量，采用變頻調(diào)速方式來(lái)實(shí)現(xiàn)低流量時(shí)的恒壓供水節(jié)能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設(shè)備相比平均節(jié)能可達(dá)30。水泵變頻軟起動(dòng)沖擊電流小，也有利于電機(jī)泵的壽命，此外水泵在低速運(yùn)行時(shí)，平穩(wěn)、噪聲小。由于用水呈低流量變化型的特點(diǎn)，采用多臺(tái)水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺(tái)數(shù)的方案。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保

49、持為設(shè)定值。多泵并聯(lián)代替一、二臺(tái)大泵單獨(dú)供水不會(huì)增加投資，而其好處是多方面的。首先是節(jié)能，每臺(tái)泵都可以較高效率運(yùn)行，長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用少：其二，供水可靠性好，一臺(tái)泵故障時(shí)，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便； 其三，小泵起動(dòng)電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺(tái)泵來(lái)配置變頻器容量，減少投資。多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分級(jí)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小的PLC通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。供水系統(tǒng)的恒壓通過(guò)壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓。為了減少對(duì)泵組、管道所產(chǎn)生的水錘，

50、泵組配置電動(dòng)蝶閥，開(kāi)啟水泵后打開(kāi)電動(dòng)碟閥，當(dāng)水泵停止時(shí)先關(guān)電動(dòng)閥后停機(jī)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，系統(tǒng)中還配置了計(jì)算機(jī)和通信模塊。綜上所述，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由變頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。(2)信號(hào)檢測(cè)在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括自來(lái)水出水水壓信號(hào)和報(bào)警信號(hào):水壓信號(hào):它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。報(bào)警信號(hào):它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水

51、泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常。該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。(3)控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。供水控制器:它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制。變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控

52、制下完成對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換等。(4)人機(jī)界面人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。通過(guò)人機(jī)界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時(shí)使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機(jī)界面還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)示，對(duì)報(bào)警進(jìn)行顯示。(5)通訊接口通訊接口是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過(guò)通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來(lái)，例如可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)等(6)報(bào)警裝置作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，

53、所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過(guò)載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。32變頻恒壓供水系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、編程靈活的工控設(shè)備變頻器和PLC作為主要控制設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖31所示：泵5（消防）變頻輸出工頻輸入RS232RS-485電網(wǎng)壓力上下限電流電動(dòng)閥門(mén)進(jìn)水口 高水位儲(chǔ)水池低水位泵4（消防）泵3泵2泵1P 變I 頻D 器P FXONL 485ADPCFX-48

54、5PCIF上位機(jī)用戶故障自動(dòng)撥號(hào)系統(tǒng)壓力變送器圖31系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)圖33變頻恒壓供水系統(tǒng)主要器件的選型以及參數(shù)整定根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖得知：系統(tǒng)所需的主要硬件有：變頻器PLC及擴(kuò)展模塊水泵機(jī)組壓力傳感器軟啟動(dòng)器或自耦變壓器331系統(tǒng)配置設(shè)備的參數(shù)計(jì)算設(shè)備基本要求 供水高度： 3m*9層=27m （層高和層數(shù)按實(shí)際選?。?用水人數(shù)： 4人*750戶=3000人 （每戶按3.55選?。?根據(jù)公式：最大小時(shí)用水量：Q=n* q* k /24,000 (m3/h) 最大小時(shí)用水量計(jì)算公式取值：用水人數(shù)： n=3000 (人) 用水標(biāo)準(zhǔn)： q=260 (升/人*日) （q為常數(shù)） 峰谷系數(shù)： k=3 （k按24選?。﹦t最大小時(shí)用水量：Q=n*q*k/24000=3000*260*3/24000=97.5 (m3/h) 揚(yáng)程計(jì)算根據(jù)所需供水揚(yáng)程：H=h1+h2+h3 (m)取值-供水高度： h1= 3